Achtung Ableitströme! Ableitströme in Fehlerstrom-geschützter Umgebung

Transkript

1 Achtung Ableitströme! Ableitströme in Fehlerstrom-geschützter Umgebung Herbert Blum Product Manager EMC

2 Inhalt > Anlagensituation > Ableitstrom versus Fehlerstrom > Ableitströme von Frequenzumrichtern > Transiente Ableitströme > Fehlerstromschutzschalter > Messungen > Filter Ableitströme > Ableitströme reduzieren > Zusammenfassung

3 Anlagesituation Für einen besseren Personenschutz werden in elektrischen Installationen vermehrt Fehlerstrom- Schutzschalter eingesetzt. Diese lösen aber, durch die von elektrischen Anlagen verursachten Ableitströme, oft unnötigerweise aus. Daraus folgen Maschinenstandzeiten und Kosten, die sich jedoch verhindern lassen mit Wissen um hohe Ableitströme und gezielten Massnahmen dagegen. Da Frequenzumrichter und Netzfilter wesentliche Gründe für Ströme gegen Erde sind, verdienen sie besondere Aufmerksamkeit.

4 Anlagesituation > Sicherungen schützen primär die elektrischen Anlagen vor Kurzschluss und Bränden > Personenschutz : Einsatz Fehlerstromschutzschalter 30mA > Fehlerstromschutzschalter erfassen Ströme gegen Erde und unterbrechen Stromkreis sofort! keine lebensgefährliche Situation für Menschen

5 Anlagesituation > Berührt eine Person einen elektrischen Leiter fliesst der Strom über den Menschen zu Erde. > Ist der PE-Leiter unterbrochen kann bei einem Isolationsfehler gefährliche Spannung auf dem Gehäuse auftreten.

6 Fehlerstrom vs. Ableitstrom > Neben Fehlerströmen fliessen auch noch Ableitströme gegen Erde > Ableitströme sind Ströme die im fehlerfreien Betrieb nicht durch den Nullleiter zurückfliessen. > Fehlerströme: hoher ohmscher Anteil > Ableitströme: überwiegend kapazitiv > Fehlerstromschutzschalter kann nicht zwischen Fehlerstrom und Ableitstrom unterscheiden!

7 Ableitströme > Ableitströme entstehen hauptsächlich durch kapazitive Kopplung von Polleiter zur Erde. > Direkt passiert dies durch Kondensatoren z.b. Störschutz-Kondensatoren in Filter die gegen Erde verdrahtet sind > Stromleiter bilden zur Abschirmung oder parallel liegende Erdleiter / Gehäuse eine Kapazität > Lange Leitungen = grosse Kapazität > Ableitströme sind hauptsächlich abhängig vom Netzaufbau, Frequenz und eingesetzten Kondensatoren gegen Erde.

8 Ableitströme von Frequenzumrichtern > Frequenzumrichtern (FU) werden heute für die meisten Motorenantriebe eingesetzt. Ermöglichen stufenlosen und energieeffizientes Ansteuern der Motoren. > 1 / 3 Phasen FU gleichrichten die Netzspannung und formt mit dem Wechselrichter eine Ausgangsspannung. > Ausgangspannung variiert in Spannungsamplitude und Frequenz entsprechend der gewünschten Motordrehzahl.

9 Ableitströme von Frequenzumrichtern Schema Frequenzumrichter Anlage Ableitströme durch Entstörkondensatoren Ableitströme durch parasitäre Kapazitäten > Ableitströme im Frequenzumrichter entstehen durch die internen Entstör-Massnahmen und alle parasitären Kapazitäten im FU und Motorkabel.

10 Ableitströme von Frequenzumrichtern > Die grössten Ableitströme verursacht die Arbeitsweise des Frequenzumrichters: Netzspannung wird Gleichgerichtet, daraus formt der Wechselrichter die Ausgangsspannung > Die Ausgangsspannung kann entsprechend den Drehzahlanforderungen und Belastung in Spannungsamplitude und Frequenz variieren. Netzeingang Ausgang

11 Ableitströme von Frequenzumrichtern > Die Motordrehzahl wird mit einer Pulsweitemodulation (PWM) geregelt. > Entsprechend der FU-Schaltfrequenz z.b. 4kHz entstehen Oberwellen mit hohen Amplituden in höheren Frequenzbereich > Motorleitung mit geerdeter Abschirmung wirkt wie ein Kondensator > Über diese Kapazität fliessen hochfrequente Ströme gegen Erde! > Die Ströme fliessen durch alle parasitären Kapazitäten auch innerhalb des FU oder Motors.

12 Transiente Ableitströme > Beim Aus- oder Einschalten einer Anlage können transiente Ableitströme entstehen. > Einschalten: je nach Phasenwinkel entstehen steile Spannungsspitzen infolge des schnellen Spannungsanstieges > Ausschalten: bei Induktivitäten im Stromkreis entstehen Spannungsspitzen infolge der hohe Selbstinduktionsspannung, die durch den abrupten Magnetfeld Wechsel erzeugt wird.

13 Transiente Ableitströme > Diese schnellen Spannungsspitzen erzeugen über die Filterkondensatoren einen transienten Ableitstrom gegen Erde. > So kann es passieren, dass der Fehlerstromschutzschalter, beim ersten Einschalten der Anlage, den Betrieb lahmlegt. Abhilfe: > Fehlerstromschutzschalter mit verzögerten Ansprechverhalten > Maschine schrittweise starten

14 Fehlerstromschutzschalter > Der Fehlerstromschutzschalter muss bei einer Fehlfunktion den Stromkreis sofort unterbrechen. auch RCD oder FI-Schutzschalter genannt > Im 1Phasen Netz schon lange Standard > Im 3Phasen Netz für steckbare Verbindungen bis 32A und im Aussenbereich gefordert. (DIN VDE ) > Auslösewert 300mA für Brandschutz > Auslösewert 30mA für Personenschutz

15 Fehlerstromschutzschalter > Fehlerstromschutzschalter Typen FI-Typ Symbol Fehlerstrom Charakteristik AC A wechselstromsensitiv pulsstromsensitiv sinusförmiger Wechselstrom sinusförmiger Wechselstrom pulsförmiger Gleichstrom B allstromsensitiv alle Ströme bis 2 khz B+ allstromsensitiv alle Ströme bis 20 khz misst nur 50Hz Ströme misst alle Ströme bis 20kHz = gut geeignet für FU-Antrieb

16 Fehlerstromschutzschalter > Auslösekennlinie eines allstromsensitiven RCD > 30mA Limite im Bereich der Netzfrequenz 50Hz > erlaubt höhere Ströme 1 20kHz

17 Fehlerstromschutzschalter > Sind die Ableitström über den RCD Limiten, kann ein Differenzstrommessgerät (RCM) eingesetzt werden > Ein möglichst konstanter Ableitstrom der Anlage und die Fehlerstromlimite können summiert und eingestellt werden. Beispiel: Ableitstrom der Anlage Fehlerstromlimite Ansprechschwelle RCM 60mA 30mA 90mA > RCM erlaubt den normalen Ableitstrom der Anlage unterbricht aber sofort beim überschreiten der summierten Limite. (evtl. zusätzliche Schaltgerät nötig)

18 Messungen > Es empfiehlt sich, bei jeder neu aufgebauten Maschine, den Ableitstrom zu messen. > Die einfachste Methode ist es, den Strom auf dem Erdleiter mit einem Zangenamperemeter zu messen Die meisten Zangenamperemeter zeigen nur den 50Hz Strom an!

19 Messungen > Die meisten Zangenamperemeter zeigen nur den 50Hz Strom an > Messung mit Ableitstrom-Analyse-System 50Hz Ableitstrom

20 Messungen > Der FI-Schutzschalter kann ausgewählt werden > Die Auslöselimite wird angezeigt Auswahl des FI-Schutzschalter Frequenzumrichter mit Unterbaufilter

21 Messungen > Messung über den Frequenzbereich

22 Messungen > Messung mit Ableitstrom-Analyse-System 50Hz 6kHz 10kHz > Die Ströme im höheren Frequenzbereich können viel höher sein als bei 50Hz!

23 Messungen > Die Ableitstrom-Analyse zeigt ein vollständiges Bild der Ableitströme. > Wichtig: Ableitstrom bei verschiedenen Betriebszuständen messen > Änderung der Motordrehzahl kann einen grossen Einfluss haben > Entspricht die FU-Schaltfrequenz einem Vielfachen der Eigenresonanzfrequenz des Filters, können die Ableitströme massiv grösser werden. Filter wird zum Schwingen gebracht.

24 Filter Ableitströme > Im Filter sind Kondensatoren von allen Leitern gegen Erde verdrahtet. > Über diese Y-Kondensatoren fliesst ein entsprechend der Spannung, Frequenz und Kapazität ein dauernder Strom! Beispiel Ableitströme > Die meisten Filterhersteller geben die nominalen Ableitströme an manchmal auch den «Worst case» Ableitstrom

25 Filter Ableitströme > Ableitstrom Angaben in Filter Datenblätter Ableitstrom unter normalen Bedingungen gem. IEC Worst case Ableitstrom gem. IEC60950-Anx.G4 (Situation bei 2 unterbrochenen Polleitern).

26 Filter Ableitströme > Die angegeben Filter-Ableitströme sind für optimale Bedingungen = sinusförmiger Ström > In der Praxis empfiehlt es sich die Ableitströme zu messen, da das Netz oft stark verzerrt ist. > Viele FU werden mit Unterbaufilter geliefert. > Dies sind meist preiswerte, kompakte Filter mit kleinen Drosseln und grossen Kapazitäten gegen Erde.

27 Filter Ableitströme > Beispiel: 2 Filter für eine FU-Motorsteuerung

28 Filter Ableitströme > Beispiel: 2 Filter für eine FU-Motorsteuerung FMAC ECO (einstufig) FMBC ECO (zweistufig) 3 x 0.57 mh 3.3 µf = 240mA 6 x 0.9 mh 47 nf = 4mA Quasi Peak Average

29 Filter Ableitströme > Grosse Y-Kondensatoren gegen Erde = preisgünstig, kompakt und gute Dämpfung, aber hohe Ableitströme! > Ersatz der Y-Kondensatoren durch zusätzliche Drosseln = teurer, grösser und kleine Ableitströme. FMAC ECO (einstufig) FMBC ECO (zweistufig)

30 Ableitströme reduzieren > FU nahe beim Motor = kürzere Leitung lange Leitungen erzeugen eine grosse Kapazität gegen Erde = grösser Ableitströme > Ausgangsfilter (Sinusfilter) am FU Ausgang verringert die Flankensteilheit der Motorspannung und reduziert somit die hochfrequenten Ableitströme wirkungsvoll > Mehrere Filter bei jedem FU durch ein Summenfilter ersetzen spart Platz und Kosten und reduziert die Ableitströme > Zusätzliche Netzdrossel einsetzten reduziert Stromwelligkeit und Oberwellen

31 Ableitströme reduzieren > 4 Leiter Filter anstelle 3 Leiter in einem 4 Leiter Filter können die die Y-Kondensatoren gegen den Neutralleiter verdrahtet werden 3 Leiter Filter FMAC 4 Leiter Filter FMBD 8 Y-Kondensatoren zu PE 1 Y-Kondensatoren zu PE grosser Ableitstrom kleiner Ableitstrom

32 Fazit > Stromkreise in RCD-geschützt und -ungeschützt aufteilen > Gefilterte und ungefilterte Kabel trennen > Schrittweises Starten der FU > Frequenzumrichter nahe beim Motor (kurze Motorleitungen) > Überspannungsschutz zum Schutz vor Spannungsspitzen > RCD mit verzögertem Ansprechverhalten > Differenzstrommessgerät (RCM) > Netzdrosseln > Summenfilter am Netzeingang anstelle mehrerer einzelner Filter > 4-Leiter-Filter mit Nullleiter anstelle 3-Leiter-Filter verwenden > Ausgangsfilter (Sinusfilter) > Ableitstromarme Filter

33 Fazit